专利名称：一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感领域，特别涉及一种扩大光纤陀螺动态范围的信号处理方法、装置及基于该装置的光纤陀螺仪。
背景技术：
光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，一直以来都被广泛的关注。光纤陀螺是光纤传感领域最重要的成就之一，在航空、 航天、航海和兵器等军用领域以及地质、石油勘探等民用领域具有广阔的应用和发展前景。 光纤陀螺是基于萨格奈克效应的角速度测量仪，干涉式光纤陀螺仪有两种基本结构开环结构和闭环结构。开环光纤陀螺直接检测光路中的萨格奈克相移，所以系统的工作点随输入角速度而改变；闭环光纤陀螺通过使用光波导构成反馈回路抵消光路中的萨格奈克相移，而将反馈信号作为检测信号，所以系统的工作点不随输入角速度而改变。基于这样的工作原理，这两类光纤陀螺仪都有各自的优点和不足相较之下，闭环光纤陀螺仪的突出优势是更高的标度因数稳定性、更大的动态范围和更小的漂移；开环光纤陀螺仪由于没有使用光波导构成反馈回路而具有更好的抗温度冲击、机械冲击、机械振动特性，更好的抗电磁干扰能力， 更高的可靠性以及更低的生产和使用维护成本。参考文献张桂才，光纤陀螺原理与技术， 国防工业出版社，2008。开环光纤陀螺仪光路部分的基本结构示意图如
图1所示，模块7探测器输出的探测信号为 其中，约为萨格奈克相移，Itl为探测信号的平均功率，Δ炉( )由模块6调相器的输出信号决定。探测信号中包含相位调制信号的基频信号以及各次谐波信号。传统的开环光纤陀螺仪检测Id (t)的一次谐波，即输出信号为 由公式(2)可以得到1)传统开环光纤陀螺的性能和比例因子的关系非常密切。影响比例因子的关键因素a)探测器输出的信号幅度；b)调相器的调制深度。和闭环光纤陀螺仪相比，传统开环光纤陀螺仪的一大劣势就在于比例因子的稳定性受以上两个因素的影响较大。2)和闭环光纤陀螺仪相比，传统开环光纤陀螺仪的动态范围较小。由公式(2)可以得到，传统开环光纤陀螺仪的动态范围最大为sin函数的单值区间[_π/2 π/2)。光纤陀螺萨格奈克相移代和系统转动角速度Ω的关系表达式为
权利要求
1.一种光纤陀螺的数字信号处理方法，其步骤为1)将开环光纤陀螺仪第k时刻采样后输出的一、二次谐波解调信号Si(k)、各自均分为两路信号且分别将其中一路信号延迟N个采样周期时间；其中，k，N为自然数；2)将延迟后的一次谐波解调信号S1GO与未延迟的一次谐波解调信号S1GO相乘得到输出信号S0，将延迟后的一次谐波解调信号S1 (k)与未延迟的二次谐波解调信号& (k)相乘得到输出信号S3 ；同时将延迟后的二次谐波解调信号与未延迟的一次谐波解调信号 S1GO相乘得到输出信号Si，将延迟后的二次谐波解调信号&00与未延迟的二次谐波解调信号S2GO相乘得到输出信号S2;3)信号Sl减去信号S3后除以信号SO、S2之和，得到一输出信号S；4)对信号S低通滤波后与第k-N时刻输出的萨格奈克相移测量值代(IN)相加，作为第 k时刻的萨格奈克相移测量值代[k)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于萨格奈克相移测量值的初始值
3.一种光纤陀螺的数字信号处理装置，其特征在于包括三延迟器D8、D9、D19，四乘法器X10、X11、X12、X13，三加法器A14、A15、A18，一低通滤波器和一除法器；其中，开环光纤陀螺仪的一次谐波解调信号S1 (k) 一路经延迟器D8后分别与乘法器X10、X13输入端连接，另一路分别与乘法器X10、Xll输入端连接；开环光纤陀螺仪的二次谐波解调信号一路经延迟器D9后分别与乘法器XII、X12输入端连接，另一路分别与乘法器X12、X13输入端连接；加法器A14的输入端分别与乘法器XII、X13输出端连接，其输出端与除法器的被除数输入端连接；加法器A15的输入端分别与乘法器ΧΙΟ、X12输出端连接，其输出端与除法器的除数端连接；除法器的输出端经低通滤波器与加法器A18的一输入端连接；加法器A18 的另一输入端与延迟器D19的输出端连接，其输出端与延迟器D19的输入端连接。
4.如权利要求3所述的数字信号处理装置，其特征在于延迟器的延迟时间为N个采样周期时间，N为自然数。
5.一种包含如权利要求3所述数字信号处理装置的光纤陀螺仪，其特征在于包括开环光纤陀螺仪光路结构及与其连接的一、二次谐波解调单元，所述数字信号处理装置的输入端与所述一、二次谐波解调单元的输出端连接。
6.如权利要求5所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述一、二次谐波解调单元包括数字锁相环，正弦信号产生模块(37)，余弦信号产生模块(39)，两乘法器乂38、乂40，两低通滤波器L41、L42 ；其中，所述开环光纤陀螺仪光路结构中探测器输出端与一采样模块AD22输入端连接；所述开环光纤陀螺仪光路结构中调相器的信号输出端经一采样模块AD34与所述数字锁相环输入端连接，所述数字锁相环的输出端分别与所述正弦信号产生模块(37)、余弦信号产生模块(39)的输入端连接；所述乘法器X38的输入端分别与所述正弦信号产生模块(37)输出端、采样模块AD22输出端连接，其输出端与所述低通滤波器L41输入端连接； 所述乘法器X40的输入端分别与所述余弦信号产生模块(39)输出端、采样模块AD22输出端连接，其输出端与所述低通滤波器L42输入端连接；所述余弦信号产生模块(39)产生相位为2ΦΟΟ的余弦信号。
7.如权利要求6所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述数字锁相环包括两乘法器X44、 X45，三低通滤波器L46、L47、L49，相位信号产生模块(50)，一余弦信号产生模块(52)，一正弦信号产生模块(51)，一相位检测器；其中，所述乘法器X44输入端分别与信号输入端、所述正弦信号产生模块(51)输出端连接，其输出端经所述低通滤波器L46与所述相位检测器 (48)输入端连接；所述乘法器X45输入端分别与信号输入端、所述余弦信号产生模块(52) 输出端连接，其输出端经所述低通滤波器L47与所述相位检测器G8)另一输入端连接；所述相位检测器输出端经所述低通滤波器L49与所述相位信号产生模块(50)输入端连接，所述相位信号产生模块(50)输出端分别与所述余弦信号生成模块(52)、正弦信号产生模块 (51)的输入端连接。
8.如权利要求6或7所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述调相器依次经一放大器、低通滤波器、所述采样模块AD 34、一低通滤波器与所述数字锁相环的输入端连接。
9.如权利要求6或7所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述探测器依次经一放大器、低通滤波器、所述采样模块AD22、一低通滤波器后分别与所述乘法器X38、X40的输入端连接。
10.如权利要求5所述的光纤陀螺仪，其特征在于所述数字信号处理装置中延迟器的延迟时间为N个采样周期时间，N为自然数。
全文摘要
本发明公开了一种光纤陀螺的数字信号处理方法、装置及光纤陀螺仪，属于光纤传感领域。本方法为1)将开环光纤陀螺仪输出的一、二次谐波解调信号S1(k)、S2(k)各自均分为两路信号且分别将其中一路信号延迟N个采样周期时间，N为自然数；2)将延迟后的S1(k)与未延迟的S1(k)相乘得到信号S0，将延迟后的S1(k)与未延迟的S2(k)相乘得到信号S3；同时将延迟后的S2(k)与未延迟的S1(k)相乘得到信号S1，将延迟后的二次谐波解调信号S2(k)与未延迟的二次谐波解调信号S2(k)相乘得到输出信号S2；3)信号S1减去信号S3后除以信号S0、S2之和，得到一信号S；4)对信号S低通滤波后与第k-N时刻输出的萨格奈克相移测量值相加，作为第k时刻的萨格奈克相移测量值本发明大大提高了开环光纤陀螺的动态范围。
文档编号G01C19/72GK102435186SQ201110385420
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者杨川川, 王子宇 申请人:北京大学